Forskare vid MIT och på andra håll har designat 3D-utskrivna nätliknande strukturer som förvandlas från platta lager till förutbestämda former, som svar på förändringar i omgivningstemperaturen. De nya strukturerna kan förvandlas till konfigurationer som är mer komplexa än vad andra formskiftande material och strukturer kan åstadkomma.

Som en demonstration, forskarna tryckte ett platt nät som när de utsätts för en viss temperaturskillnad, deformeras till formen av ett mänskligt ansikte. De designade också ett nät inbäddat med ledande flytande metall, som kröks till en kupol för att bilda en aktiv antenn, vars resonansfrekvens ändras när den deformeras.

Teamets nya designmetod kan användas för att bestämma det specifika mönstret av platta nätstrukturer att skriva ut, med tanke på materialets egenskaper, för att få strukturen att förvandlas till en önskad form.

Forskarna säger att på vägen, deras teknik kan användas för att designa utplacerbara strukturer, som tält eller överdrag som automatiskt vecklas ut och blåses upp som svar på förändringar i temperatur eller andra omgivningsförhållanden.

Så komplicerat, formskiftande strukturer kan också vara användbara som stentar eller ställningar för konstgjord vävnad, eller som deformerbara linser i teleskop. Wim van Rees, biträdande professor i maskinteknik vid MIT, ser även tillämpningar inom mjuk robotik.

"Jag skulle vilja se detta införlivat i, till exempel, en robotmanet som ändrar form för att simma när vi lägger den i vatten, " säger van Rees. "Om du kunde använda det här som ett ställdon, som en konstgjord muskel, ställdonet kan vara vilken godtycklig form som helst som förvandlas till en annan godtycklig form. Då går du in i ett helt nytt designutrymme inom mjuk robotik."

Van Rees och hans kollegor publicerar sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Hans medförfattare är J. William Boley från Boston University; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis, och L. Mahadevan vid Harvard University; Charles Lissandrello från Draper Laboratory; och Mark Horenstein från Boston University.

Presentpappers gräns

Två år sedan, van Rees kom med en teoretisk design för hur man förvandlar ett tunt platt ark till en komplex form som ett mänskligt ansikte. Tills dess, forskare inom området 4D-material – material designade för att deformeras över tid – hade utvecklat sätt för vissa material att förändras, eller morph, men bara i relativt enkla strukturer.

"Mitt mål var att börja med en komplex 3D-form som vi vill uppnå, som ett mänskligt ansikte, och fråga sedan, "Hur programmerar vi ett material så att det kommer dit?", säger van Rees. "Det är ett problem med omvänd design."

Han kom på en formel för att beräkna expansionen och sammandragningen som regioner av ett dubbelskiktsmaterialark skulle behöva uppnå för att nå en önskad form, och utvecklat en kod för att simulera detta i ett teoretiskt material. Sedan satte han formeln i arbete, och visualiserade hur metoden kunde förvandla en lägenhet, kontinuerlig skiva till ett komplext mänskligt ansikte.

Men han och hans medarbetare fann snabbt att metoden inte skulle tillämpas på de flesta fysiska material, åtminstone om de försökte arbeta med kontinuerliga ark. Medan van Rees använde ett kontinuerligt ark för sina simuleringar, det var av ett idealiserat material, utan några fysiska begränsningar för hur stor expansion och sammandragning den skulle kunna uppnå. De flesta material, i kontrast, har mycket begränsade tillväxtmöjligheter. Denna begränsning har djupgående konsekvenser på en egenskap som kallas dubbel krökning, vilket betyder en yta som kan kröka sig samtidigt i två vinkelräta riktningar - en effekt som beskrivs i en nästan 200 år gammal sats av Carl Friedrich Gauss som kallas Theorema Egregium, Latin för "Anmärkningsvärt teorem".

Om du någonsin har försökt att slå in en fotboll i present, du har upplevt detta koncept i praktiken:Att förvandla papper, som inte har någon krökning alls, till formen av en boll, som har positiv dubbel krökning, du måste skrynkla och skrynkla papperet på sidorna och botten för att helt linda bollen. Med andra ord, för att pappersarket ska anpassa sig till en form med dubbel krökning, det skulle behöva sträcka sig eller dra ihop sig, eller båda, på de nödvändiga platserna för att linda en boll enhetligt.

För att ge dubbel krökning till ett formskiftande ark, forskarna bytte grunden för strukturen från ett kontinuerligt ark till ett gitter, eller mesh. Tanken var tvåfaldig:för det första, en temperaturinducerad böjning av gittrets ribbor skulle resultera i mycket större expansioner och sammandragningar av nätnoderna, än vad som kunde uppnås i ett kontinuerligt ark. Andra, hålrummen i gallret kan lätt ta emot stora förändringar i ytarea när ribborna är utformade för att växa i olika takt över arket.

Forskarna designade också varje enskild ribba på gallret för att böjas i en förutbestämd grad för att skapa formen av, säga, en näsa snarare än en ögonhåla.

För varje revben, de inkorporerade fyra smalare revben, arrangera två för att ställa upp på de andra två. Alla fyra miniribbor tillverkades av noggrant utvalda varianter av samma basmaterial, för att kalibrera de nödvändiga olika reaktionerna på temperaturen.

När de fyra miniribborna sammanfogades i tryckprocessen för att bilda en större ribba, revbenet som helhet kan krökas på grund av skillnaden i temperaturrespons mellan materialen i de mindre revbenen:Om ett material är mer känsligt för temperatur, den kanske föredrar att förlänga. Men eftersom den är bunden till ett mindre känsligt revben, som motstår förlängningen, hela revbenet böjs istället.

Forskarna kan leka med arrangemanget av de fyra revbenen för att "förprogrammera" om revbenet som helhet kröker sig upp till en del av en näsa, eller faller ner som en del av en ögonhåla.

Former olåsta

Att tillverka ett galler som ändras till formen av ett mänskligt ansikte, forskarna började med en 3D-bild av ett ansikte – för att vara specifik, Gauss ansikte, vars geometriprinciper ligger till grund för mycket av teamets tillvägagångssätt. Från denna bild, de skapade en karta över de avstånd som en plan yta skulle kräva för att höjas eller sänkas för att anpassa sig till ansiktets form. Van Rees tog sedan fram en algoritm för att översätta dessa avstånd till ett gitter med ett specifikt mönster av revben, och förhållanden av miniribbor inom varje revben.

Teamet skrev ut gallret från PDMS, ett vanligt gummiartat material som naturligt expanderar när det utsätts för en temperaturökning. De justerade materialets temperaturkänslighet genom att infundera en lösning av det med glasfibrer, vilket gör den fysiskt styvare och mer motståndskraftig mot temperaturförändringar. Efter att ha skrivit ut gittermönster av materialet, de härdade gallret i en 250 graders ugn, tog sedan ut den och placerade den i ett saltvattenbad, där det svalnade till rumstemperatur och förvandlades till formen av ett mänskligt ansikte.

Teamet tryckte också en gallerskiva gjord av ribbor inbäddade med flytande metallbläck - en sorts antenn, som ändrade sin resonansfrekvens när gittret förvandlades till en kupol.

Van Rees och hans kollegor undersöker för närvarande sätt att tillämpa designen av komplexa formförändringar på styvare material, för robustare applikationer, såsom temperaturkänsliga tält och självgående fenor och vingar.